第3代半導(dǎo)體材料發(fā)展現(xiàn)狀及建議

王興艷

第3代半導(dǎo)體材料即寬禁帶半導(dǎo)體材料，又稱高溫半導(dǎo)體材料，主要包括碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氮化鋁（AlN）、氧化鋅（ZnO）、金剛石等。這類材料具有寬的禁帶寬度（禁帶寬度大于2.2eV）、高的熱導(dǎo)率、高的擊穿電場、高的抗輻射能力、高的電子飽和速率等特點，適用于高溫、高頻、抗輻射及大功率器件的制作。第3代半導(dǎo)體材料憑借著其優(yōu)異的特性，未來應(yīng)用前景十分廣闊。

一、大力發(fā)展第3代半導(dǎo)體的必要性和緊迫性

第3代半導(dǎo)體材料可用于制作新一代電力電子器件，應(yīng)用于國民經(jīng)濟及國家安全保障的各個領(lǐng)域。一方面，從社會發(fā)展的角度，當今社會發(fā)展對于電力電子器件提出更高的要求，如抗輻射、高功率、高能效等，第3代半導(dǎo)體材料的應(yīng)用可以有效滿足社會發(fā)展對電力電子器件的新要求；另一方面，從國家安全角度來看，第3代半導(dǎo)體材料可應(yīng)用于軍用飛機、陸地坦克以及高性能雷達系統(tǒng)等軍事裝備?？梢?，積極發(fā)展第3代半導(dǎo)體材料利國利民。

此外，大力發(fā)展第3代半導(dǎo)體材料是有效實現(xiàn)我國節(jié)能降耗的有效途徑。第3代半導(dǎo)體材料制成電子器件應(yīng)用于各個領(lǐng)域，表1為SiC材料的應(yīng)用，可有效提升效率，降低損耗。

同時，第3代半導(dǎo)體材料是各國競相發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。第3代半導(dǎo)體材料因其優(yōu)異的性能和廣泛的應(yīng)用，已受到世界各國的重視，美國、日本、歐盟等國家和地區(qū)均將其置于重要的戰(zhàn)略位置，對其投入巨資進行支持。如2013年日本政府將SiC納入“首相戰(zhàn)略”，認為未來50%的節(jié)能要通過它來實現(xiàn)；2014年1月，美國總統(tǒng)奧巴馬宣布設(shè)立國家下一代電力電子制造業(yè)創(chuàng)新研究所，5年內(nèi)將至少投入1.4億美元，對寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù)進行研究，從而使電力電子器件更加快速、高效和小巧。

二、第3代半導(dǎo)體材料發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

從目前第3代半導(dǎo)體材料和器件的研究來看，SiC和GaN較為成熟，而ZnO、AlN和金剛石等第3代半導(dǎo)體材料的研究還處于起步階段。

1.SiC的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

（1）發(fā)展現(xiàn)狀

與傳統(tǒng)硅（Si）材料相比，SiC材料各項性能如表2。依據(jù)不同的性能，制成的SiC器件廣泛應(yīng)用于各種不同領(lǐng)域。如憑借其良好的導(dǎo)熱性，制成SiC器件可以被用在高溫工作環(huán)境中，如石油和地?zé)徙@井勘探、汽車發(fā)動機、航空、航天探測、核能開發(fā)、衛(wèi)星等應(yīng)用領(lǐng)域；憑借其寬禁帶和高化學(xué)穩(wěn)定性，SiC器件可以被用在抗輻射領(lǐng)域；憑借其高擊穿場強，制成高功率SiC器件應(yīng)用在雷達、通信和廣播電視領(lǐng)域；憑借其高電子飽和速率，制成高頻和微波SiC器件更是不可替代。不僅如此，SiC材料還是發(fā)光二極管和激光二極管的重要襯底材料。

目前，全球SiC材料的生產(chǎn)商主要包括美國的科銳（Cree）公司、道康寧（Dow Corning）和II-VI公司，德國的SiCrystal公司，以及我國的北京天科合達藍光半導(dǎo)體有限公司（以下簡稱“北京天科合達”）、山東天岳晶體材料有限公司（以下簡稱“山東天岳”）、東莞市天域半導(dǎo)體科技有限公司（以下簡稱“東莞天域”）以及瀚天天成電子科技（廈門）有限公司（以下簡稱“廈門瀚天天成”）等，詳見表3。其中美國Cree公司是全球最大的SiC材料供應(yīng)商，德國SiCrystal公司是歐洲市場的主要供應(yīng)商。

我國SiC材料產(chǎn)業(yè)起步晚。早在1991年，美國Cree公司就成功推出SiC材料，而我國在20世紀90年代末才開始著手研究SiC材料，直到2006年9月才成立了首家SiC材料生產(chǎn)企業(yè)——北京天科合達。隨著近幾年SiC材料的快速發(fā)展，我國SiC材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展技術(shù)水平與國外差距正在縮小。2011年北京天科合達準備進入4英寸SiC晶體量產(chǎn)，2013年開始進行6英寸SiC晶體研發(fā)工作。如今，北京天科合達已經(jīng)建成了SiC生長以及加工、檢測、清洗、封裝的生產(chǎn)線，發(fā)展成為亞太地區(qū)SiC晶片生產(chǎn)制造的先行者。

目前，國內(nèi)許多高校和研究機構(gòu)積極開展SiC晶體生產(chǎn)的研究工作，這為我國SiC材料研究工作的開展搭建了很好的研發(fā)平臺，表4是國內(nèi)SiC晶體的重點研發(fā)單位。當前，SiC晶片在我國研發(fā)尚屬起步階段，SiC晶片在國內(nèi)的應(yīng)用較少，SiC材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展缺乏下游應(yīng)用企業(yè)的支撐。

（2）發(fā)展趨勢

SiC材料十分符合低碳經(jīng)濟的發(fā)展要求，備受各國的關(guān)注，未來發(fā)展前景十分廣闊。以半導(dǎo)體電源為例，當前全球整個半導(dǎo)體電源市場規(guī)模是340億美元，但是碳化硅電源半導(dǎo)體市場占整個半導(dǎo)體電源市場的比例尚不足1%。據(jù)業(yè)內(nèi)人士分析預(yù)測，碳化硅半導(dǎo)體電源市場將在未來10年內(nèi)得到快速發(fā)展并在市場上占據(jù)一定的規(guī)模。今后，隨著SiC材料在電動汽車、混合動力汽車、電源輸送元器件、LED照明、光伏應(yīng)用等眾多領(lǐng)域的應(yīng)用，SiC材料將保持高速發(fā)展。據(jù)Market Research研究表明，在未來的10年內(nèi)碳化硅的生產(chǎn)商有望達到38%的年復(fù)合增長率。

2.GaN的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

（1）發(fā)展現(xiàn)狀

與傳統(tǒng)Si材料相比，GaN材料各項性能如表5。利用GaN材料低的熱產(chǎn)生率和高的擊穿電場，可以研制高溫大功率電子器件和高頻微波器件，制成金屬場效應(yīng)晶體管（MESFET）、異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管（HFET）、調(diào)制摻雜場效應(yīng)晶體管（MODFET）等新型器件；利用其寬帶隙特性，制成藍光發(fā)光器件、綠光發(fā)光器件、高亮度LED等多種類型發(fā)光器件，其中制成的藍光發(fā)光器件可應(yīng)用于高密度光盤信息存取、全光顯示、激光打印機等領(lǐng)域，制成的高亮度LED可用于汽車照明、交通信號、高密度DVD存儲等?？傊?，作為第3代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵材料，GaN材料是未來新一代光電子、功率電子和高頻微電子器件的重要支撐材料。

20世紀90年代之后，LED產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展大大促進了GaN的發(fā)展，其年均增長率超過30%。進入新世紀， GaN開始進軍大功率電子器件市場。目前，全球涉足GaN器件的公司主要有美國的國際整流器公司、射頻微系統(tǒng)公司、飛思卡爾（Freescale）半導(dǎo)體公司，德國的Azzurro公司，英國的普萊思公司，日本的富士通公司和松下公司，加拿大的氮化鎵系統(tǒng)公司等。而在2012年，全球僅有2～3家器件供應(yīng)商，2013年后陸續(xù)有多家公司推出新產(chǎn)品，GaN器件市場開始得以快速發(fā)展。如2013年美國IR開始商業(yè)裝運GaN功率器件，同年德國Azzurro公司推出“1Bin”硅基氮化鎵LED晶圓，美國射頻微系統(tǒng)公司推出世界首個用于制造射頻功率晶體管的碳化硅基氮化鎵晶圓，東芝推出第2代硅基氮化鎵白色LED，英國普萊思半導(dǎo)體公司（Plessey）推光效翻倍的新一代硅基氮化鎵LED。2015年，美國Qorvo公司推出雷達和無線電通信用塑料封裝氮化鎵晶體管，日本松下宣稱2016年量產(chǎn)用于電源和馬達控制的GaN半導(dǎo)體。

2012年全球氮化鎵器件市場占有率由高到低依次為美國、歐洲、亞洲和世界其他地區(qū)，其中美國在全球市場占有率達32.1%。據(jù)美國透明度市場研究公司稱，2012年氮化鎵半導(dǎo)體器件市場產(chǎn)值約為3.8億美元，其中軍事國防和宇航部分占據(jù)氮化鎵半導(dǎo)體市場的最高份額。

我國在GaN半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)起步晚、起點低，為了趕超國際水平，國內(nèi)近幾年作了很大努力，但是仍然存在較大差距，如在大尺寸GaN HEMT外延材料工程化和產(chǎn)業(yè)化方面。目前國際上產(chǎn)業(yè)化主流水平為4英寸，技術(shù)已經(jīng)相當成熟，并已經(jīng)開始6英寸關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)工作，而我國在GaN HEMT外延材料方面基本上還處于4英寸的研發(fā)階段，雖有部分實現(xiàn)小批量試產(chǎn)，但尚未形成大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化。

（2）發(fā)展趨勢

由于GaN材料所具有的噪聲系數(shù)優(yōu)良、最大電流高、擊穿電壓高、振蕩頻率高等獨特優(yōu)勢，不僅能夠滿足軍事雷達、激光探測、宇航、電動汽車、高速列車、太陽能、發(fā)電等多個領(lǐng)域的要求，同時也順應(yīng)了我國綠色經(jīng)濟發(fā)展趨勢。隨著下游應(yīng)用領(lǐng)域的擴展和軍事需求的增加，我國對高速、高溫和大功率半導(dǎo)體器件需求的不斷增長，GaN材料發(fā)展有著巨大的市場前景。未來10年，GaN材料消費年復(fù)合增長率將超過20%，并有望成為繼硅和砷化鎵等關(guān)鍵材料之后新的經(jīng)濟增長點。

3.其他材料

（1）金剛石

金剛石是一種極具優(yōu)勢的半導(dǎo)體材料，它既能作為有源器件材料制作場效應(yīng)管、功率開關(guān)等器件，也能作為無源器件材料制成肖特基二極管。而且，由于金剛石具有最高的熱導(dǎo)率和極高的電荷遷移率，其制成的半導(dǎo)體器件能夠用在高頻、高功率、高電壓等惡劣環(huán)境中。

目前，自支撐單晶本征金剛石的制備以及硼摻雜技術(shù)已趨于成熟，金剛石摻硼的p-型材料已基本實用化。但在金剛石半導(dǎo)體應(yīng)用領(lǐng)域仍存在許多問題亟待突破。首先，由于n-型摻雜問題尚未突破，難以得到合格的n-型導(dǎo)電材料，嚴重制約了金剛石半導(dǎo)體在電子領(lǐng)域的應(yīng)用。其次，雖然大量高質(zhì)量、超高純度、具有半導(dǎo)體性能的金剛石材料的制備技術(shù)取得一定進展，但制備成本很高，難以實現(xiàn)規(guī)?；慨a(chǎn)。此外，金剛石在制作器件過程中的處理技術(shù)往往會影響器件性能，微處理技術(shù)的提高也有待改進提高。

（2）氮化鋁（AlN）

AlN是一種具有寬的禁帶寬度（6.2eV）的新型半導(dǎo)體材料，在微電子、光學(xué)、電子元器件、聲表面波器件（SAW）制造、高頻寬帶通信和功率半導(dǎo)體器件等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。如利用其高擊穿場強、高熱導(dǎo)率、高電阻率、高化學(xué)穩(wěn)定性和高熱穩(wěn)定性，可用于電子器件、電子封裝、介質(zhì)隔離等；利用其寬禁帶寬度，將其作為藍光、紫光等發(fā)光材料；此外，還可以利用其壓電性能、高的聲表面波傳播速度和高的機電耦合系數(shù)等特點，將其作為高頻表面波器件的壓電材料。

目前AlN基片已經(jīng)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，但是為了實現(xiàn)AlN在微電子、光電子及聲表面波器件的應(yīng)用，還需要在不同襯底上制備AlN外延薄膜材料，但其制備方法和制備設(shè)備都限制其產(chǎn)業(yè)化。一方面，AlN薄膜制備設(shè)備復(fù)雜且造價昂貴；另一方面AlN薄膜制備方法仍需進一步完善。從目前制備方法來看，較成熟的制備方法需要需要把襯底加熱到一定溫度，但集成光學(xué)器件生產(chǎn)過程中為避免襯底材料熱損傷往往要求薄膜制備過程保持在較低溫度。目前雖然有報道稱在較低溫度下制備出AlN薄膜，但其制備方法尚不成熟。

（3）氧化鋅（ZnO）

ZnO也是一種具有寬禁帶寬度（3.37eV）的半導(dǎo)體材料，借助其優(yōu)異的透明導(dǎo)電性，可用于制作太陽能電池的透明電極和透明窗口材料；借助其優(yōu)良的高頻特性、壓電性能、高機電耦合系數(shù)和低介電常數(shù)，可用于制作壓電器件、表面聲波器件等；借助其激發(fā)發(fā)射近紫外光和藍光的優(yōu)越條件，可以開發(fā)出紫光、綠光、藍光等多種發(fā)光器件；借助其較高的激子束縛能（60meV，約為GaN的3倍），在室溫下即可受激發(fā)射，可以制備短波長光電器件等。

目前紅色LED和綠光LED顯示器件已有商品問世，但彩色顯示器和氧化鋅基光電器件尚未實現(xiàn)商品化。彩色顯示未商業(yè)化的原因主要是藍光亮度和色純度未達到實用水平，無法通過三基色實現(xiàn)彩色顯示。氧化鋅基光電器件未商業(yè)化主要是氧化鋅作為一種n型半導(dǎo)體，難以實現(xiàn)p型轉(zhuǎn)變，使得半導(dǎo)體器件的核心——氧化鋅p-n結(jié)結(jié)構(gòu)很難制得，大大地限制了氧化鋅基光電器件的開發(fā)應(yīng)用。目前，p型氧化鋅的研究已成為國際上的研究熱點。

三、發(fā)展建議

從政府方面而言，要加大政策支持力度，從信貸、稅收、土地等多個方面對企業(yè)發(fā)展進行大力扶持；加大創(chuàng)新資源投入，從人員、材料、物力等多個角度對第3代半導(dǎo)體材料的基礎(chǔ)研發(fā)工作和關(guān)鍵共性技術(shù)問題研究進行重點支持；積極搭建信息共享平臺、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展促進平臺等一批有效促進產(chǎn)業(yè)發(fā)展的平臺或機構(gòu)，構(gòu)建完善的產(chǎn)業(yè)發(fā)展服務(wù)體系；制定完善的產(chǎn)業(yè)標準體系，規(guī)范企業(yè)發(fā)展和產(chǎn)品質(zhì)量，營造公平的市場環(huán)境；積極培育具有競爭力的龍頭企業(yè)，幫助企業(yè)打造幾個具有國際影響力的大品牌；積極推動“官、產(chǎn)、學(xué)、研、用”的緊密結(jié)合，加快產(chǎn)業(yè)化實施進程等。

從企業(yè)方面而言，要積極引進國外先進技術(shù)，實現(xiàn)“消化-吸收-創(chuàng)新”，努力趕超國際先進技術(shù)水平；建設(shè)開放型人才體系，積極引進一批域內(nèi)的高端人才，同時健全企業(yè)內(nèi)部專業(yè)人才培養(yǎng)體系，組建一支強有力的科研創(chuàng)新隊伍；緊跟世界發(fā)展前沿，加大研發(fā)投入；積極與高校和科研機構(gòu)組建戰(zhàn)略聯(lián)盟，就人才培養(yǎng)和技術(shù)研發(fā)等開展密切合作；加強企業(yè)間的交流，尤其要積極參加國際交流活動，提升企業(yè)發(fā)展水平；關(guān)注企業(yè)品牌建設(shè)，努力打造企業(yè)的拳頭產(chǎn)品等。